Рудякова А.Н., Липинский А.Ю., Данилов В.В., Рудяков И.Ю. Аппаратно-программные средства встраиваемых компьютерных систем

Подождите немного. Документ загружается.

Последовательные интерфейсы

271

альтернативные настройки вывода порта RxD. Приемный буфер FIFO

сбрасывается после отключения приемника, следовательно, оставшиеся в нем

данные будут потеряны. Если буфер необходимо очистить в процессе

нормальной работы, например, при возникновении ошибок, то необходимо

считывать содержимое UDR пока не очиститься флаг RXC.

USART содержит блоки обнаружения данных и синхронизации для

управления асинхронным приемом данных. Логика обнаружения

синхронизации используется для синхронизации с внутренним генератором

скорости связи для обеспечения возможности ввода последовательной

посылки с вывода RxD. Логика обнаружения данных осуществляет выборку

и фильтрацию (ФНЧ) каждого входящего бита данных, тем самым

увеличивая помехоустойчивость приемника. Рабочий диапазон асинхронного

приема определяется точностью встроенного генератора скорости связи,

точностью скорости входящей посылки и размером посылки

(количество

бит).

Асинхронный поиск синхронизации: логика обнаружения

синхронизации синхронизирует во времени работу приемника с входящей

последовательной посылкой. На рис. 6.16 иллюстрируется процесс поиска

старт-бита во входящей посылке. Частота выборок в 16 раз выше скорости

связи для нормального режима и 8 раз выше для режима удвоения скорости.

Горизонтальные стрелки иллюстрируют возможный уход синхронизации

процессе выборки. Обратите внимание на более высокую разсинхронизацию

во времени при использовании режима удвоения скорости (U2X = 1).

Выборки, обозначенные номером 0, соответствуют состоянию ожидания на

линии RxD (т.е. при неактивной связи).

Глава 6

272

Рис. 6.16

Если логика обнаружения синхронизации определяет переход из

высокого (состояние ожидания) к низкому (старт) состоянию на линии RxD,

то инициируется последовательность действий по обнаружению старт-бита.

Примем, что выборка 1 означает первая выборка с нулевым значением. Тогда

по выборкам 8, 9, 10 в нормальном режиме и выборкам 4, 5, 6 в режиме

удвоения скорости определяется действительность старт-

бита (на рисунке

эти выборки помещены в рамку). Если две или более из этих выборок имеют

единичное состояние (принцип мажоритарного голосования), то старт-бит

отклоняется как ложный, а приемник продолжит поиск следующего перехода

из 1 в 0. Однако если определен действительный старт-бит, то логика

обнаружения синхронизации оказывается засинхронизированной, после чего

вступит в

силу логика обнаружения данных. Процесс синхронизации

повторяется для каждого старт-бита.

Асинхронный поиск данных: после обнаружения старт-бита начинает

работу логика обнаружения данных. Блок обнаружения данных использует

цифровой автомат с 16 состояниями в нормальном режиме работы и с 8

состояниями в режиме удвоения скорости. На рис. 6.17 показана выборка бит

данных и бита

паритета. Для каждой выборки указан номер, который

соответствует номеру состояния цифрового автомата блока обнаружения

данных.

Последовательные интерфейсы

273

Рис. 6.17

Определение логического уровня принимаемого бита данных происходит с

помощью мажоритарного голосования по трем выборкам, расположенных по

центру принятого бита. Центральные выборки выделены на рисунке путем

размещения их в рамке. Процесс мажоритарного голосования состоит в

следующем: если две или все три выборки имеют высокие уровни, то

принятый бит фиксируется

как «1». Если две или три выборки имеют низкие

уровни, то принятый бит фиксируется как лог. 0. Процесс мажоритарного

голосования, по сути, представляет собой фильтр низких частот для

входящего сигнала с вывода RxD. Процесс обнаружения повторяется до

полного завершения приема посылки, в т.ч. первый стоп-бит. Обратите

внимание, что приемник определяет только первый

стоп-бит посылки, а

второй игнорируется. На рис. 6.18 отображен процесс выборки стоп-бита и

начальный момент возможности обнаружения старт-бита следующей

посылки.

Рис. 6.18

Глава 6

274

Принцип мажоритарного голосования, рассмотренный на примере стоп-

бита, аналогично распространяется и на другие биты в посылке. Если

обнаруженный стоп-бит имеет нулевое значение, то устанавливается флаг

ошибки посылки FE.

Новое изменение из 1 в 0 будет воспринято как стоп-бит новой посылки,

если это изменение произошло после выборки последнего бита,

используемого при мажоритарном голосовании

. Для режима с нормальной

скоростью первая выборка с низким уровнем может находится в позиции,

обозначенной А на рис. 6.18. Для режима удвоения скорости появление

низкого уровня допускается позже (точка В). Точка C соответствует полному

завершению передачи стоп-бита. Использование раннего обнаружения старт-

бита влияет на рабочий диапазон приемника (допустимое расхождение

частот при

фиксированном формате посылки).

Рабочий диапазон асинхронной связи приемника зависит от

расхождения между внутренне генерируемой скоростью связи и скоростью

принимаемых бит. Если передатчик отправляет посылки на более высокой

или более низкой скорости или внутренне-генерируемая скорость связи

приемника не соответствует основной частоте (см. табл. 6.8), то приемник

окажется неспособным засинхронизировать посылку по отношению

к старт-

биту.

Таблица 6.8 –

Рекомендуемая максимальная погрешность генерации скорости связи

приемника в режиме нормальной скорости (U2X = 0)

D (кол. бит

данных и

паритета)

Rмин,

Rмакс,

Общая макс.

погрешность, %

Рекомендуемая

максимальная

погрешность приемника,

5 93,20 106,67 +6.67/-6.8 ± 3.0

6 94,12 105,79 +5.79/-5.88 ± 2.5

7 94,81 105,11 +5.11/-5.19 ± 2.0

Последовательные интерфейсы

275

8 95,36 104,58 +4.58/-4.54 ± 2.0

9 95,81 104,14 +4.14/-4.19 ± 1.5

10 96,17 103,78 +3.78/-3.83 ± 1.5

Следующие выражения могут использоваться для вычисления

отношения скорости принимаемых данных и внутренней скорости

приемника:

где

- D - сумма количества передаваемых бит данных и бит паритета, D =

5…10;

- S - количество выборок в секунду. S = 16/8 в режиме

нормальной/удвоенной скорости;

- SF - Номер первой выборки используемой для мажоритарного

голосования. SF = 8/4 в режиме нормальной/удвоенной скорости;

- SM - Номер центральной выборки используемой при мажоритарном

голосовании. SM = 9/5 в режиме нормальной/удвоенной скорости;

- Rмин - отношение наименьшей скорости принимаемых

данных к

скорости приемника;

- Rмакс - отношение набольшей скорости принимаемых данных к

скорости приемника.

В табл. 6.8 и 6.9 приведен список максимальных допустимых

погрешностей при генерации скорости приемника. Обратите внимание, что

режим нормальной скорости устойчив к более широким изменениям

скорости связи.

Таблица 6.9 –

Рекомендуемая максимальная погрешность генерации скорости связи

приемника в режиме удвоенной скорости

(U2X = 1)

Глава 6

276

D (кол. бит

данных и

паритета)

мин

макс

Общая макс.

погрешность, %

Рекомендуемая

максимальная погрешность

приемника, %

5 94,12 105,66 +5.66/-5.88 ± 2.5

6 94,92 104,92 +4.92/-5.08 ± 2.0

7 95,52 104,35 +4.35/-4.48 ± 1.5

8 96,00 103,90 +3.90/-4.00 ± 1.5

9 96,39 103,53 +3.53/-3.61 ± 1.5

10 96,70 103,23 +3.23/-3.30 ± 1.0

Рекомендуемая погрешность генератора скорости связи приемника была

выбрана исходя из того, что передатчик и приемник в совокупности

определяют общую максимальную погрешность. Имеется два возможных

источника влияния на погрешность скорости связи приемника. Системная

синхронизация (XTAL) приемника всегда имеет некоторую нестабильность в

зависимости от напряжения питания и температуры. При использовании

кварцевого резонатора для

генерации системной синхронизации, как

правило, не возникает проблем, но при использовании керамических

резонаторов частота синхронизации может изменяться более чем на 2% в

зависимости характеристик выбранного резонатора. Второй источник

влияния на погрешность является более управляемым. Требуемую скорость

связи не всегда удается получить путем деления частоты синхронизации на

целое число. В этом случае необходимо

выбрать такое значение UBRR,

которое обеспечивает минимально возможную погрешность результирующей

частоты.

6.4. Однопроводной интерфейс 1-Wire

Шина 1-Wire использует только один проводник для связи и питания.

Режим связи – асинхронный и полудуплексный, который строго следует

Последовательные интерфейсы

277

схеме ведущий-подчиненный. К одной и той же шине могут быть

одновременно подключено одно или несколько подчиненных устройств. К

одной шине может быть подключено только одно ведущее устройство.

Незанятому состоянию шины соответствует высокий уровень, который

формируется подтягивающим резистором. Номинал подтягивающего

резистора приводится в документации на подчиненную ИМС. Все

микросхемы, подключенные к

шине, должны быть способны создавать

низкий уровень. Если выход микроконтроллера не поддерживает

тристабильность, то необходимо предусмотреть драйвер, у которого выход с

открытым коллектором или открытым стоком

Передача сигналов по шине 1-Wire разделена на временные слоты

длительностью 60 мкс. Одним временным слотом передается только один

бит данных. Подчиненным устройствам допускается иметь существенные

отличия

от номинальных выдержек времени. Однако это требует более

точного отсчета времени ведущим, чтобы гарантировать корректность связи

с подчиненными, у которых различаются временные базисы. Таким образом,

следует в точности выдерживать временные границы, рассматриваемые в

следующих разделах.

Ведущий инициирует каждую связь на битном уровне. Это означает, что

передача каждого бита, независимо от направления

, должна быть

инициирована ведущим. Это достигается установкой низкого уровня на

шине, который синхронизирует логику всех остальных устройств.

Существует 5 основных команд для связи по шине 1-Wire: “Запись лог. 1”,

“Запись лог. 0”, “Чтение”, “Сброс” и “Присутствие”.

Сигнал “Запись лог. 1” показан на рис. 6.19. Ведущий устанавливает

низкий уровень в течение 1…15 мкс. После этого, в течение оставшейся

части временного слота он освобождает шину.

Глава 6

278

Рис. 6.19

Сигнал “Запись лог. 0” показан на рис. 6.20. Ведущий формирует низкий

уровень в течение не менее 60 мкс, но не дольше 120 мкс.

Рис. 6.20

Сигнал “Чтение” показан на рис. 6.21. Ведущий устанавливает низкий

уровень в течение 1…15 мкс. После этого подчиненный удерживает шину в

низком состоянии, если желает передать лог. 0. Если необходимо передать

лог. 1, то он просто освобождает линию. Сканирование шины необходимо

выполнять по истечении 15 мкс после установки низкого уровня на шине.

Если смотреть

со стороны ведущего, сигнал “Чтение” является в сущности

сигналом «Запись лог. 1». Собственно внутреннее состояние подчиненного

будет определять это сигнал «Запись лог. 1» или «Чтение».

Рис. 6.21

Сигналы “Сброс” и “Присутствие” показаны на рис. 6.22. Временные

интервалы импульсов отличаются. Ведущий устанавливает низкий уровень в

течение 8 временных слотов (480 мкс), а затем освобождает шину. Данный

длительный период низкого состояния называется сигнал «Сброс».

Последовательные интерфейсы

279

Если на шине присутствует подчиненный, то он должен в течение 60 мкс

после освобождения ведущим шины установить низкий уровень

длительностью не менее 60 мкс. Данный отклик носит название

«Присутствие». Если такой сигнал не обнаруживается, то ведущий должен

полагать, что нет подключенных устройств к шине и дальнейшая связь

невозможна.

Рис. 6.22

При программной генерации сигналов 1-Wire необходимо

манипулировать над изменением направления и состояния линии ввода-

вывода, а также генерировать требуемые временные задержки.

Основные сигналы 1-Wire также можно генерировать с помощью UART.

Для этого необходимо связать с шиной выводы TXD и RXD с помощью

схемы, представленной на рис. 6.23. Приведенные номиналы резисторов

носят рекомендательный характер. Более

подробные рекомендации по

выбору подтягивающего резистора следует искать в документации на

подчиненную ИМС.

Глава 6

280

Рис. 6.23

Формат данных UART, который используется для генерации сигналов 1-

Wire, - 8 бит данных без бита паритета и 1 стоп-бит. Одна посылка данных

UART используется для генерации нужной формы прямоугольного импульса

или последовательности СБРОС/ПРИСУТСТВИЕ. В табл. 6.10 показано, как

настроить UART для генерации прямоугольного импульса и как

интерпретировать принятые данные. Соответствующие структуры посылок

UART показаны

на рисунках 6.24 – 6.28.

Таблица 6.10 –

Передача сигналов с помощью УАПП

Сигнал

Скорость

связи

Передаваемое

значение

Принимаемое значение

«Запись лог. 1» 115200 FFh FFh

«Запись лог. 0» 115200 00h 00h

Чтение 115200 FFh

Если принято FFh, то это

эквивалентно приему лог. 1;